專利名稱：陀螺儀球形轉子三維靜平衡測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陀螺儀球形轉子三維靜平衡測量方法及裝置。
背景技術：
陀螺儀轉子是陀螺儀的核心部件，工作時要求繞慣性軸高速穩(wěn)定旋轉。轉子的空間不平衡量將使轉子產(chǎn)生振動及引起漂移，直接影響到陀螺儀的精度和壽命，因此平衡問題至關重要。
陀螺儀的球形轉子上由于存在孔、凸臺等工藝結構，傳統(tǒng)的軌道平衡、擺動平衡、靜平衡儀法和氣浮平衡法等都難以適用或達不到足夠的平衡精度。日本專利JP11160183和中國專利CN02145944.4均采取三點支撐傳感器稱重的方式來進行轉子的靜平衡測量。
日本專利的平衡原理如圖1a所示。轉子安裝在托盤7中心的定位銷9上，托盤放置在三個互相等間隔120度固定安裝的壓力傳感器1、2和3上，如果轉子存在質(zhì)量偏心，則3個傳感器的測量數(shù)值就會出現(xiàn)差異，設傳感器1、2和3的壓力讀數(shù)分別為A、B和C，則，如圖1b所示，根據(jù)力矩平衡原理可知，PSSQ=BA,---(1)]]>確定出S點的位置，同理SGGR=CA+B,---(2)]]>確定出G點的位置，G點即為轉子、托盤和定位銷共同的偏心位置，則轉子的偏心距e可由下式確定e=(A+B+C)mOG,---(3)]]>其中m為轉子的質(zhì)量，且m＝(A+B+C)-W，W為托盤和固定銷的質(zhì)量之和，是需要提前測出的已知量。
偏心位置在過OG的直徑T1T2上，以O點為圓心，e為半徑圓與T1T2的交點。在該發(fā)明中，三個傳感器測得的數(shù)據(jù)直接傳輸給一臺微型計算機18，偏心距大小和位置的確定由計算機自動計算完成。中國專利CN02145944.4的平衡原理和實現(xiàn)方法與之類似。
首先，從上述可知，現(xiàn)有三點式平衡裝置是對在運行中有固定空間回轉軸的轉子進行軸對稱靜平衡測量，測出的偏心位置是相對于回轉軸的，是過垂直于回轉軸投影面的二維靜平衡，而對相對于球心有三維空間靜平衡要求的球形轉子的測量無能為力；其次，可進行靜平衡測量的轉子必須有能用來安裝定位銷9的現(xiàn)成的孔或?qū)ｉT加工出來的工藝孔，且孔的軸線要與轉子的實際運行回轉軸重合。另外，三點式平衡測量對三個傳感器安裝位置精度、自身加工精度和彈性應變線性度的統(tǒng)一性要求很高。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術不能滿足無固定空間轉軸的球形轉子三維靜平衡測量的缺點，本發(fā)明提出一種單點稱重靜平衡測量方法及其測量裝置，僅需用一個高精度電子分析天平，通過多次空間多角度稱重后，利用數(shù)理統(tǒng)計的方法消除測量隨機誤差，求出球形轉子三維空間偏心位置。本發(fā)明簡化了測量系統(tǒng)，減少了測量過程中的隨機誤差。
本發(fā)明測量方法的具體操作步驟如下將被測球形轉子放置在支架的支撐環(huán)上，支架的支腳分別支撐在天平托盤和平臺桌面上。翻轉轉子，用高精度電子分析天平多次空間多角度稱重。根據(jù)力學平衡原理，轉子偏心位置在空間的變化會引起天平讀數(shù)的變化。為了最快地找出偏心位置，轉子的翻轉遵循如下規(guī)律轉子在翻轉過程中有一個空間上固定的轉動軸，此轉動軸過球心，垂直于轉子形心與支架支撐桿構成的豎直平面。翻轉測量過程分兩步，第一步，繞轉動軸間隔一定角度轉動轉子一周以上，翻轉角度間隔可以用類似折半查找的方法確定，例如，可先設定轉動間隔角度為10度，測得最大位置點位于80度與100度之間，然后在80至100度之間細分，每次轉動5度測量，以此類推，直到達到滿意的測量精度。當天平讀數(shù)最大時，在球形轉子表面標記出此時過球心的水平赤道圓和上下兩個球極。如果在翻轉過程中找不出天平讀數(shù)最大點，則將轉子繞過軸心的鉛直軸旋轉90度重復上述步驟。第二步，重新放置被測球形轉子，使轉動軸過標記出的兩個球極，繞先前定義的轉動軸翻轉轉子一周以上，要以當天平讀數(shù)最大時，在球形轉子表面標記出此時的水平赤道圓，這個赤道圓和上一步的赤道圓有兩個交點，靠近天平托盤一側的交點即為轉子偏心方向。記錄此時天平的讀數(shù)Amax，即可利用力矩平衡原理計算出轉子偏心距離的大小。公式為偏心距e=Amaxh-WgL-mglmg]]>其中mg轉子重量，可直接由分析天平精確測出；h為前支腳在天平上的支撐點距兩后支腳連線的距離；WgL——支架自身重量產(chǎn)生的力矩；
l——支撐圓環(huán)中心即轉子形心距兩后支腳連線的距離。
重復以上步驟，多次測量，用數(shù)理統(tǒng)計的方法消除轉子翻轉過程中產(chǎn)生的隨機誤差設在翻轉過程中可能出現(xiàn)翻轉角度相對隨機誤差Δθi，其中i為測量次數(shù)，Δθi要遠小于每次翻轉角度θi，當總測量次數(shù)n足夠大時，有(Σi=0nθi+Δθi)/n=θi,]]>即，只要翻轉測量的次數(shù)足夠多，由翻轉角度不精確產(chǎn)生的隨機誤差可以用求平均值的方法消除。
應用本發(fā)明方法的裝置包括具有錐形定位面和三個支撐腳的球形轉子支架、高精度電子分析天平(目前市場上可購得的最小分辨率為0.1mg)和保護支撐附屬件保護罩和平臺。一個支撐腳放置在高精度電子分析天平的托盤上，其余兩個用于調(diào)節(jié)支架水平度的支撐腳放置在平臺上。被測球形轉子放置在支架上。
本發(fā)明裝置的關鍵部件為一個由支撐桿聯(lián)接的支撐環(huán)和三個支腳構成的支架，支架的一個支腳放置在高精度分析天平的托盤上，另外兩個支腳作為固定支點支撐在平臺上。被測轉子放置在支架的支撐環(huán)中。根據(jù)力學平衡原理，當被測球形轉子在空間轉動一定角度時，如果轉子存在質(zhì)量偏心，轉子相對于支架支點的力矩變化可由天平測出。天平讀數(shù)最大時，轉子的偏心方向和形心連線與支撐桿平行。處于靜平衡狀態(tài)的球形轉子，在初始設計時即考慮其自身平衡，若加工后形狀理想規(guī)則，質(zhì)量分布均勻，其重心與幾何中心應該重合，否則，其重心就會偏離幾何中心。將被測球形轉子放置在水平放置的支架上，通過多次轉動球體，球體重心位置的變化會引起任何支點上支撐力的相對變化，通過一臺高精度測力儀或電子分析天平測出任何一個支點的受力變化，結合每次測量時球體的空間姿態(tài)可以計算出轉子偏心距大小。轉子翻轉過程中產(chǎn)生的隨機誤差可通過數(shù)理統(tǒng)計的方法消除。最終得出球體的重心偏移位置。
本發(fā)明可有效地對球形轉子進行獲取空間三維偏心位置的靜平衡測量，同時，利用多次稱重的方法消除掉稱重過程中出現(xiàn)的隨機誤差。


圖1a、b為已有技術的三點稱重靜平衡測量原理示意圖；圖2為應用本發(fā)明測量方法的支架示意圖，圖中3.1支撐環(huán)、3.2支撐桿、3.3支撐座、3.5前支腳、3.4后支腳(兩個)、3.6銷；圖3為本發(fā)明力學原理圖及坐標系，圖中，N1、N2為后支腳的支撐力，A為前支腳的支撐力，m為轉子質(zhì)量；h為前支腳在天平上的支撐點與兩后支腳連線的距離；e為轉子偏心距；WgL為支架自身重量產(chǎn)生的力矩；l為支撐圓環(huán)中心即轉子形心距兩后支腳連線的距離；a為偏心距與Z軸的空間夾角。
圖4為本發(fā)明裝置的示意圖；圖中1.被測量轉子，3.單點稱重靜平衡測量支架，4.高精度電子分析天平，5.防風防塵透明罩，6.平臺。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
如圖2所示，本發(fā)明支架由支撐環(huán)3.1、支撐桿3.2、支撐座3.3、前支腳3.5和兩個后支腳3.4組成，各部分之間的聯(lián)接處用銷3.6聯(lián)接。支撐桿3.2為橫截面呈圓或方形的棒。安裝在支撐桿3.2一端的支撐環(huán)3.1為開有錐形孔的圓環(huán)。支撐環(huán)3.1的內(nèi)圓直徑比所測量球形轉子直徑小，為了保證轉子在支撐環(huán)3.1上的穩(wěn)定，支撐環(huán)3.1的內(nèi)圓直徑取轉子直徑的1/3至1/2之間的一個值；支撐桿3.2的兩端分別與支撐環(huán)3.1和支撐座3.3在一平面上沿支撐桿3.2的中軸線垂直相連，前支腳3.5為測量支架的天平支撐點。兩個后支腳3.4與支撐座3.3螺紋聯(lián)接，用于調(diào)節(jié)支架的水平度。
如圖3所示，O為球形轉子的形心，O’為轉子的質(zhì)心位置，Z軸垂直于水平面XOY平面，上圓為過轉子球心的圓面，且在XOY面；下圓為轉子與支撐環(huán)3.1上平面的相切圓，平行于XOY面；X軸和支撐桿3.2互相平行，前支撐腿3.5垂直于XOY面。
其中m——轉子質(zhì)量，可直接由分析天平精確測出；h——前支腳在天平上的支撐點距兩后支腳連線的距離；e——轉子偏心距；WgL——支架自身重量產(chǎn)生的力矩；Ai——精密電子分析天平讀數(shù)；l——支撐圓環(huán)中心即轉子形心距兩后支腳連線的距離；N1，N2——兩個后支腳的支撐力；另設exz——轉子偏心距e在XOZ面上的投影；θ——轉子偏心距e在XOZ面上的投影與X軸的夾角；若轉子在空間處于平衡狀態(tài)，它與各支點構成空間平衡力系，根據(jù)力矩平衡原理，有WgL+m(l+exzcosθ)＝Ah (4)通過(1)式即可求出轉子在XOZ面的偏心距的大小和方向，經(jīng)過n次稱重，n要盡量地大一些，有Σi=0nexzcosθi=0---(5)]]>
則(4)式成為WgL+ml＝Ah (4*)間隔一定角度，繞Y軸連續(xù)轉動轉子，找出電子天平讀數(shù)最大時球面上X最大的點，標記出此時轉子的水平赤道面和上下兩極點，如果找不到最大值，則要繞X軸換90度重新測量尋找。最大位置點用類似折半查找的方法快速確定，先設定轉動間隔角度為10度，測得最大位置點位于80度與100度之間，然后在80至100度之間細分，每轉動1度測量，以此類推，可以比較快地得出最大值的角度位置。然后將標記出的赤道面與YZ平面重合放置，兩個極點過Y軸，再繞Y軸轉動轉子，找出電子天平最大讀數(shù)位置，在球面上標記出該點，該點位置即轉子重心偏移方向，此時電子天平讀數(shù)為Amax，則有e=Amaxh-WgL-mglmg---(6)]]>重復以上操作，獲得多個分散但靠得很近的重心偏移點標記，取這些散點的非歐球面幾何中心作為最終測量結果。
對于質(zhì)量為100g左右的球形轉子，如果聯(lián)接臂長130mm，該方法可達到的測量精度為ξ=η×hm≈0.1mg×130mm100g≈0.1μm---(7)]]>其中η為天平的最小分辨率。
圖4所示為本發(fā)明裝置的示意圖，球形轉子1放置在支架3上，支架3的前支腳3.5和后支腳3.4分別支撐在高精度天平4和平臺6上。由于系統(tǒng)的高精度性，對地面震動、氣流擾動和灰塵等干擾都非常敏感，因此總體裝置需要搭設平臺6、防風防塵罩5放置在平臺6上，罩在整個實驗裝置外圍。所有設備要放置在超凈間中。
支撐座3.3的支腳放置在高精度分析天平上，連續(xù)翻動轉子，其偏心距造成的力矩變化被天平測出，按一定規(guī)律多次翻轉即可以找出轉子的偏心位置，同時求出偏心距的大小。轉子的翻轉要遵循如下規(guī)律第一步，繞Y軸間隔一定角度轉動轉子一周以上，當天平讀數(shù)最大時，在球表面標記出此時的水平赤道圓和上下兩個球極。如果在翻轉過程中找不出天平讀數(shù)最大點，則將轉子X軸旋轉90度重復上述步驟。第二步，重新放置被測球形轉子，使Y軸過標記出的兩個球極，繞Y軸翻轉轉子一周以上，當天平讀數(shù)最大時，在球形轉子表面標記出此時的水平赤道圓，這個赤道圓和上一步的赤道圓有兩個交點，X值大的交點即為轉子偏心方向。
本發(fā)明利用力學平衡原理，提出了球形轉子單點稱重靜平衡測量裝置和相應測量方法，解決了球形轉子空間三維偏心靜平衡測量問題。本發(fā)明可應用于導航儀表、球形電機或球形磁浮軸承等相關領域。可以有效地提高球形轉子的平衡精度，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和運行精度。
權利要求
1.一種陀螺儀球形轉子三維靜平衡測量方法，其特征在于測量的具體操作步驟如下(1)將被測球形轉子放置在支架[3]的支撐環(huán)[3.1]上，支架[3]的前支腳[3.5]和后支腳[3.4]分別支撐在高精度天平[4]和平臺[6]上；(2)翻轉轉子，繞過球心且垂直于轉子形心與支架支撐桿[3.2]構成的豎直平面的轉動軸，間隔一定角度轉動轉子一周以上，翻轉角度間隔可用類似折半查找的方法確定；(3)用高精度電子分析天平多次空間多角度稱重，當高精度電子分析天平讀數(shù)最大時，在球形轉子表面標記出此時過球心的水平赤道圓和上下兩個球極；如果在翻轉過程中找不出天平讀數(shù)最大點，則將轉子繞過軸心的鉛直軸旋轉90度重復上述步驟；(4)然后重新放置被測球形轉子，使轉動軸過標記出的兩個球極，繞轉動軸翻轉轉子一周以上，當天平讀數(shù)最大時，在球形轉子表面標記出此時的水平赤道圓，這個赤道圓和上一步的赤道圓有兩個交點，靠近天平托盤一側的交點即為轉子偏心方向；記錄此時天平的讀數(shù)，計算出轉子偏心距離的大小，公式為 其中，mg轉子重量；h為前支腳在天平上的支撐點距兩后支腳連線的距離；WgL——支架自身重量產(chǎn)生的力矩；l——支撐圓環(huán)中心即轉子形心距兩后支腳連線的距離；重復以上操作，獲得多個分散但靠得很近的重心偏移點標記，取這些散點的非歐球面幾何中心作為最終測量結果；轉子翻轉過程中產(chǎn)生的隨機誤差可以用數(shù)理統(tǒng)計方法消除。
2.應用權利要求1所述的陀螺儀球形轉子三維靜平衡測量方法的測量裝置，其特征在于包括具有錐形定位面和三個支撐腳的球形轉子支架[3]、高精度電子分析天平、防風防塵罩[5]和平臺[6]；支架[3]的前支腳[3.5]放置在高精度電子分析天平的托盤上，兩個后支腳[3.4]支撐在平臺[6]上；支架[3]由支撐環(huán)[3.1]、支撐桿[3.2]、支撐座[3.3]、前支腳[3.5]和兩個后支腳[3.4]組成，各部分之間的聯(lián)接處用銷3.6聯(lián)接；支撐桿[3.2]為橫截面呈圓或方形的棒；安裝在支撐桿[3.2]一端的支撐環(huán)[3.1]為開有錐形孔的圓環(huán)；支撐環(huán)[3.1]的內(nèi)圓直徑為轉子直徑的1/3至1/2之間的一個值；支撐桿[3.2]的兩端分別與支撐環(huán)[3.1]和支撐座[3.3]在一平面上沿支撐桿[3.2]的中軸線垂直相連，前支腳[3.5]為測量支架[3]的天平支撐點；兩個后支腳[3.4]與支撐座[3.3]螺紋聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明涉及陀螺儀球形轉子三維靜平衡測量方法及其測量裝置，其特征在于采用單點稱重靜平衡測量方法。僅需用一個高精度電子分析天平，通過多次空間多角度稱重后，利用數(shù)理統(tǒng)計的方法消除測量隨機誤差，求出球形轉子[1]的三維空間偏心位置。應用本發(fā)明測量方法的測量裝置，其特征在于包括具有錐形定位面和三個支撐腳的球形轉子支架[3]、高精度電子分析天平[4]、防風防塵罩[5]和平臺[6]；本發(fā)明簡化了測量系統(tǒng)，減少了測量過程中的隨機誤差。
文檔編號G01C19/00GK1955706SQ20051008670
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權日2005年10月24日
發(fā)明者王厚生, 李丙樂, 王秋良, 王暉 申請人:中國科學院電工研究所